طباعة ثلاثية الأبعاد للختام تمكّن العضلات الاصطناعية للروبوتات اللينة

A team of MIT researchers recently created the first synthetic muscle actuator that can flex in multiple directions. This study opens the door for more capable soft robots and other advanced medical breakthroughs. Here’s how the team utilized a new 3D printing method, alongside specially made stamps, to grow synthetic muscles in the lab that can replicate the real thing.

فهم بنية العضلة والحركة

لفهم لماذا لا يمكنك مجرد صنع محرك يقوم بما تفعله العضلة، عليك أولاً أن تنظر إلى كيفية عمل جسمك. عندما تحرك يدك، يحدث الكثير أكثر من مجرد سحب عضلاتك في اتجاه واحد. تشكل العديد من ألياف العضلات الهيكلية المتعددة الاتجاهات أنماطًا معقدة وتُثبت بزايا لتوليد الحركات الدقيقة للجسم البشري.
الطبيعة فعّالة بشكل لا يصدق، وعلى مدى مليارات السنين من التطور، أتيحت لها الفرصة لتصحيح معظم الأخطاء في الشكل والوظيفة. لهذا يتطلع المهندسون غالبًا إلى الطبيعة لإلهام تصاميمهم. مؤخرًا، غاص العلماء في زراعة ألياف العضلات الهيكلية.

مشغلات العضلات الحيوية‑الهجينة وقيودها

تنقبض هذه الألياف عندما يُطبق شحنة كهربائية. عند إزالة الشحنة، تسترخي العضلات، مما يسمح بعمليات قابلة للتكرار. توفر هذه المشغلات الحيوية‑الهجينة الناعمة كفاءة في الطاقة، وقابلية للتكيف، ويمكن إعدادها لتناسب تقريبًا أي شكل. ومع ذلك، فهي ليست مثالية لعدة أسباب.

التحديات مع طرق تصنيع العضلات الاصطناعية الحالية

تصميم المشغلات العضلية الاصطناعية الحالي يمتلك نطاق حركة محدود. في معظم التطبيقات، تُربط العضلة الاصطناعية بين نقطتين. هذا الترتيب يسمح للعضلة فقط بالسحب أو الاسترخاء على طول النقطتين المثبتتين.
بالإضافة إلى ذلك، من المكلف للغاية نمو المشغلات الاصطناعية. العملية الحالية لإنشاء ميزات طوبوغرافية دقيقة النطاق في هلام المصفوفة خارج الخلية تتطلب معدات خاصة. كما أنها عملية متعددة الخطوات تتطلب من الشركات توظيف خبراء في مجال التصنيع الدقيق.

تقديم STAMP: طريقة تصنيع جديدة للمشغلات العضلية الاصطناعية

أراد باحثو MIT إظهار طريقة أفضل لإنشاء عضلات اصطناعية عبر طريقة طبع جديدة. نُشرت الدراسة “الاستفادة من الميكروتوغرافيا لتصميم مشغلات عضلية متعددة الاتجاهات“¹ في مجلة Biomaterials Science.
تُبرز كيف تمكن الفريق من استخدام طباعة ثلاثية الأبعاد متقدمة لإنشاء طريقة أكثر كفاءة وتكلفة منخفضة لنمو الأنسجة الاصطناعية التي تحاكي التعقيد البنيوي للأنسجة الحقيقية مثل عضلات القزحية لديك.

منهجية STAMP ونهج الطباعة ثلاثية الأبعاد

كجزء من بحثهم، أنشأ العلماء طريقة تصنيع STAMP (القوالب البسيطة للمشغلات عبر نمذجة ميكرو‑توغرافية) لتوفير تصنيع موثوق. ومن الجدير بالذكر أن القالب صُمم ليتناسب مع أطباق 24 بئر المتوفرة قياسيًا. ثم استخدم الفريق مرافق الطباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة في MIT.nano لإنشاء أخاديد دقيقة موجهة عموديًا (90°) داخل قوالب الهلام.

حصيرة الهلام المائي

تم إنشاء حصيرة هلام مائي مخصصة صُممت لتشجيع نمو الخلايا. الهلام مادة ناعمة، ولكن يمكن تجهيزها بأخاديد أو تصاميم أخرى لتعديل نمو الخلايا. ومن الجدير بالذكر أن تصميم حصيرة الهلام يشبه إلى حد كبير عمل الباحثين السابق حيث استُخدم مادة مشابهة لنمو عضلة اصطناعية وتعزيزها.

طلاء مضاد للالتصاق

مثل خباز متمرس، طبق المهندسون طبقة مضادة للالتصاق على طوابعهم. تم صنع هذه الطبقة من بروتين يدعم نمذجة دقيقة للإشارات الميكرو‑توغرافية دون تمزق. ومن المثير للاهتمام، قام الفريق بتعقيم وسادة الطبع باستخدام أنظمة الأشعة فوق البنفسجية قبل غمر الطوابع لمدة ساعة في محلول ألبومين مصل البقر بنسبة 1% كمانع للقوالب.

النمذجة الحاسوبية للمشغلات العضلية متعددة الاتجاهات

في صميم التجربة كان نموذج الحاسوب المتخصص الذي بناه الفريق. أنشأ الفريق النموذج لتمكينهم من تحسين اختباراتهم ومحاولات التجربة. سمح هذا المحاكاة المتقدمة للفريق بدراسة كيف تؤثر نمذجة الميكرو‑توغرافية على كفاءة توجيه العضلات.
كما تمكنوا من قضاء وقت في البحث عن تفاصيل رئيسية مثل شكل الألياف ووظيفة الانقباض في كل من خلايا الميو بلاست الفأرية والبشرية. من هناك، استكشف الفريق كيف يؤثر حجم الخلية وحجم الأخدود على توجيه العضلة والتصميم العام. بشكل مثير للإعجاب، تطابقت نتائج الاختبار مع نتائج المحاكاة الحاسوبية، مما يبرز فائدتها ودقتها.

اختبار مشغل العضلة المتعددة الاتجاهات المستوحى من القزحية

لاختبار نظريتهم، قرر المهندسون الاستلهام من عضلة معقدة في عينك. تسمح عضلات القزحية لها بالتعديل في عدة اتجاهات لاستقبال الكمية المناسبة من الضوء. يمكن لهذه العضلات التحرك بشكل مركزي وشعاعي، اعتمادًا على ما تركز عليه والظروف البيئية الأخرى.

صمم المهندسون قالبًا يستفيد من ألياف عضلية دائرية مرتبة تركيزيًا وتستقر على ألياف موضوعة شعاعيًا. في عينيك، يتيح هذا التصميم المعقد تركيزًا دقيقًا وتعديلات سريعة.

ومن الجدير بالذكر، في هذه التجربة، تم تصنيع القزحية الاصطناعية باستخدام خلايا عضلية هيكلية طوعية، والتي تختلف عن خلايا العضلات الملساء اللاإرادية الموجودة في أجسامنا. ومن المثير للاهتمام، لاحظ المهندسون أن كلًا من خلايا الميو بلاست الفأرية والبشرية التي زرعت ألياف عضلية هيكلية أوبتوجينية نمت على ركيزة قزحية مطبوع بها STAMP بدأت تتماسك إلى ألياف خلال 24 ساعة.

ليكن هناك ضوء

تمكنت ألياف العضلة من النضوج بالكامل إلى نسخة مناسبة من القزحية، مما يوضح كيف يمكن للعملية الجديدة إنشاء تصاميم معقدة عند الحاجة. على عكس المشغلات العضلية البيوروبوتية السابقة، تم تعديل هذا الإصدار جينيًا ليتكيف عند تعرضه للضوء.
يسمح هذا الإعداد للمهندسين بتحديد أي عضلة يتم تشغيلها بدقة باستخدام أشعة الضوء. اختيار استخدام مناطق منفصلة مكانيًا من الألياف العضلية المركزية والشعاعية مكن المهندسين من التحكم في انقباض البؤبؤ في المناطق المركزية بشكل منفصل أيضًا.

النتائج: تشغيل متعدد الاتجاهات والتحقق

أجرى المهندسون عدة تجارب لعرض ابتكارهم وكيف يشجع خلايا العضلة على النمو والاندماج إلى ألياف. انقبضت العضلة الاصطناعية في عدة اتجاهات عندما تم تحفيزها بمصادر الضوء. ومن الجدير بالذكر، سمح الاختبار للفريق بأن يكون أول من يوضح روبوتًا يعمل بعضلة هيكلية يولد قوة متعددة الاتجاهات.
أظهرت نتائج الاختبار أن الفريق نجح في تكرار تخطيط القزحية وقدراتها. تُظهر هذه النتائج كيف تمكّن طريقة STAMP من تصميم وإنشاء واختبار المشغلات العضلية الاصطناعية اللينة متعددة الاتجاهات بكفاءة أكبر.

مزايا طريقة STAMP لهندسة العضلات

ستُشعر فوائد دراسة العضلة الاصطناعية عبر عدة صناعات. أولاً، الطريقة الجديدة أكثر سهولة بكثير من استراتيجيات التصنيع الدقيق السابقة. لاحظ المهندسون أن أي شخص يمكنه استخدام طابعة ثلاثية الأبعاد مكتبية متوفرة تجاريًا لتحقيق نتائج مماثلة.

طريقة خطوة واحدة

سمحت طريقة التصنيع المحسنة للمهندسين بنقش الميكروتوغرافيا بأحجام وتكوينات مختلفة على سطح الهلام في خطوة واحدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تنظيف STAMP باستخدام حمامات فوق صوتية وإعادة استخدامها عدة مرات، مما يزيد من فعاليته من حيث التكلفة.

الدقة

يُمكّن النظام المهندسين من زراعة ألياف عضلية هيكلية فأرية وبشرية دون التأثير سلبًا على نضوجها أو وظيفتها. ومن الجدير بالذكر، صرح الفريق بأنه يمكنه نمو العضلات في أي نمط تقريبًا لتحقيق حركات معقدة.

مستدام

فائدة رئيسية أخرى لهذا النوع من المشغلات هي أنه يمتلك القدرة على التحلل الحيوي، مثلما يحدث للإنسان. سيساعد هذا النهج على تجنب وضعية الهواتف المحمولة حيث تُملأ مدافن المستقبل بروبوتات قديمة أصبحت غير صالحة مع تطور التكنولوجيا.

فريق البحث والدعم المالي

قاد مهندسو MIT، بقيادة ريتو رمان، كتابة الدراسة. شارك في تأليف الورقة تامارا روسي، لورا شوندمان، سونيكا كوهلي، ماهيرة باوا، وبافانكومار أوماشانكار. قدم الدعم الإضافي للمشروع كل من روي هبا، أورين تشايتشيان، وآيلت.
جاءت المنح المالية للمشروع من المؤسسة الوطنية للعلوم الأمريكية، مكتب البحوث البحرية الأمريكية، مكتب أبحاث الجيش الأمريكي، والمعاهد الوطنية للصحة الأمريكية.

التطبيقات والنظرة المستقبلية للمشغلات القائمة على STAMP

هناك العديد من التطبيقات للمشغلات العضلية الهندسية حيويًا، بدءًا من الطب إلى الروبوتات. تقلل طريقة STAMP التكاليف وتفتح الباب أمام الإنتاج على نطاق واسع. وبالتالي، يمكنك توقع سماع المزيد عن الروبوتات التي تعمل بالعضلات الاصطناعية في الأشهر القادمة.

الروبوتات اللينة

الروبوتات اللينة هي مجال ناشئ يمتلك إمكانيات لا نهائية. تختلف هذه الروبوتات عن نظيراتها بأنها لا تستخدم هياكل صلبة. وبالتالي، فهي مناسبة للمهام التي تتطلب تصميمًا غير ثابت والقدرة على الوصول إلى أماكن معقدة وصعبة الوصول. بالفعل، يسعى المهندسون لتصميم سمكة تعمل بطريقة مشابهة لنظيراتها الطبيعية بدلاً من استخدام المراوح للدفع.

العلاجات الطبية

سوف تستفيد المجال الطبي بشكل كبير من هذه التقنية. يتوقع المهندسون أن تُستخدم التقنية لنمو أنواع أخرى من الأنسجة البيولوجية، مثل الخلايا العصبية وخلايا القلب. يمكن أن تكون هذه البدائل المستزرعة في المختبر لعلاج المصابين باضطرابات عصبية عضلية وغيرها.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تساعد التقنية في تحسين قدرة الباحثين على تكرار الأنسجة البشرية للاختبار وتطوير الأدوية. الطرق الحالية لنمو الخلايا لاختبار العلاجات الدوائية بطيئة وتتطلب وقتًا طويلاً. يتيح هذا النهج تصنيعًا سريعًا ومنخفض التكلفة.

الجدول الزمني المقدر للتبني

يمكنك توقع ظهور هذه التقنية تجاريًا خلال السنوات 5-10 القادمة، حسب ظروف السوق. حاليًا، هناك دفع قوي لجعل الروبوتات أكثر قدرة وكفاءة. تسمح العضلات الاصطناعية بهذه المهمة ويمكن تصميمها لتقوى مع الاستخدام المتكرر، مثل عضلاتك.
يفتح هذا الاختراق الأخير الباب أمام المهندسين في الشركات الرائدة للروبوتات لتجربة صنع تصاميم أخف وأكثر كفاءة. قد تحل التقنية محل معظم المشغلات، مقدمة بديلًا موثوقًا يمكنه تعزيز الأداء مع الاستخدام المتزايد.

الروبوتات المزعزعة في العمل: شركات عامة للمراقبة

بينما يظل مشغل الفريق في MIT الهجين الحيوي في مرحلة البحث، فإن تداعياته المحتملة تنتشر عبر الصناعات — خاصة الروبوتات اللينة، الأنظمة الذاتية، والهندسة الطبية الحيوية. قد يفكر المستثمرون المهتمون بالاستفادة من التقدم في تصميم الروبوتات ووظائفها في النظر إلى شركات راسخة تبتكر في المجالات المجاورة. أحد هؤلاء اللاعبين هو Oceaneering International, Inc.، رائد معروف في الروبوتات العميقة تحت الماء والروبوتات البعيدة.

Oceaneering International Inc

دخلت Oceaneering International, Inc. (OII ) السوق في عام 1964، ساعية لتوفير معدات غوص عميقة تحت الماء وروبوتات عالية الجودة للعملاء التجاريين. تتخذ الشركة من هيوستن، تكساس مقرًا لها، وتُعتبر مزودًا رائدًا للمركبات البحرية والفضائية وغير المأهولة وغيرها من المركبات البيئية.
منذ انطلاقها، شهدت Oceaneering International, Inc. نموًا هائلًا. اليوم، تقدم الشركة مجموعة واسعة من الخدمات تشمل الطائرات بدون طيار، الأجهزة تحت البحر، معدات حقول النفط، أنظمة المياه العميقة، وأكثر من ذلك. توظف الشركة حاليًا 10,400 شخص وتُعد واحدة من أكثر الأسماء شهرة في قطاعها.

يجب على الباحثين عن التعرض لقطاع الروبوتات إجراء مزيد من البحث حول Oceaneering International, Inc. سهمها، OII، يواصل الصعود جنبًا إلى جنب مع إيرادات الشركة السنوية. تمتلك الشركة حاليًا قيمة سوقية تبلغ 2.25 مليار دولار، ويتوقع المحللون أن تتوسع مع زيادة الطلب على الطائرات تحت الماء.
مع نضوج تقنيات العضلات الاصطناعية، قد تستفيد شركات مثل Oceaneering من الابتكارات المتقاطعة في أداء المشغلات وتصغير الحجم — مما يجعلها سهمًا يستحق المتابعة في نظام الروبوتات الأوسع.

آخر المستجدات حول Oceaneering International

العقبات التي يجب تجاوزها للتبني

هناك العديد من العقبات التي سيتعين على المهندسين التركيز عليها الآن. سيعملون على تحسين عملية التصنيع وحتى إعداد قوالب لمساعدة الباحثين الآخرين على إطلاق مشاريعهم بسرعة أكبر.
كما ستواجه تباطؤًا تنظيميًا فيما يتعلق بدمج التقنية في قطاع الرعاية الصحية. ستستغرق هذه الفحوصات والاختبارات وقتًا أطول من الاستخدامات الروبوتية التجارية، لكنها ضرورية لضمان أن تكون المنتجات ذات أمان عالي المستوى.

يمكن للعضلات الاصطناعية أن تشغّل دراجات e‑Bike المستقبل وما بعدها

عند فحص قدرات العضلات الاصطناعية، من السهل تصور مستقبل تصبح فيه هذه المشغلات أكثر شيوعًا من نظيراتها الميكانيكية. فهي تستهلك طاقة أقل، يمكن تصنيعها بسهولة أكبر، وتكون أخف وزنًا. وبالتالي، يستحق مهندسو MIT تحية لجهودهم التي قد تُحدث ثورة في مجال الروبوتات مستقبلاً.

تعرف على مشاريع روبوتية أخرى رائعة الآن.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Rossy, T., Schwendeman, L., Kohli, S., Bawa, M., Umashankar, P., Habba, R., Tchaicheeyan, O., Lesman, A., & Raman, R. (2025). الاستفادة من الميكروتوغرافيا لتصميم مشغلات عضلية متعددة الاتجاهات. Biomaterials Science. https://doi.org/10.1039/d4bm01017e}